汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析

上傳人:冷*** 文檔編號:19009989 上傳時間:2021-01-06 格式:DOCX 頁數(shù):7 大?。?6.85KB
收藏 版權(quán)申訴 舉報 下載
汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析_第1頁
第1頁 / 共7頁
汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析_第2頁
第2頁 / 共7頁
汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析_第3頁
第3頁 / 共7頁

下載文檔到電腦,查找使用更方便

10 積分

下載資源

還剩頁未讀,繼續(xù)閱讀

資源描述:

《汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析(7頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析 汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析 2017/06/28 《激光與紅外》2017年第5期 摘要:為了研究汽車發(fā)動機連桿激光3-D打印制造工藝,采用連桿打印試驗的方法,建立了連桿3-D數(shù)據(jù)模型,進行分層切片處理,掃描S型掃描和輪廓偏移規(guī)劃兩種連桿加工路徑。選用鐵基合金粉末以及相應(yīng)的工藝參數(shù),在激光3-D打印系統(tǒng)中進行連桿打印試驗,掃描單層軌跡用時4min30s~4min56s,總用時4h20min。結(jié)果表明,連桿成形

2、區(qū)底部的金相組織主要是柱狀晶和樹枝晶,中上部是細小的等軸晶,層間致密搭接,形成良好的冶金結(jié)合;成形連桿顯微硬度為450~490HV,屈服強度為754MPa,抗拉強度為1189MPa,延伸率為9%。連桿激光3-D打印成形制坯相比于鍛造、粉鍛制造工藝,減少了工裝成本支出并縮短了生產(chǎn)準備工時,其屈服強度、抗拉強度等力學(xué)性能超過鋼鍛連桿,與國外粉鍛連桿相比差別不大,能滿足連桿制坯要求。 關(guān)鍵詞:激光技術(shù);發(fā)動機連桿;3-D打?。还に囇芯浚辉囼? 引言 連桿是活塞式內(nèi)燃機傳遞動力和轉(zhuǎn)換運動的核心零件,連桿在工作中承受著氣體壓力、往復(fù)慣性力等大小、方向周期性變

3、化的交變載荷,因此成形連桿的尺寸精度和機械性能要求極高。目前,國內(nèi)外大量使用的發(fā)動機連桿主要采用模鍛錘、熱模鍛壓力機、電液錘等設(shè)備模鍛成形,美國、德國和日本也有采用粉末鍛造工藝批量生產(chǎn)連桿并實現(xiàn)裝機[1]。然而,汽車行業(yè)競爭的日益激烈要求了汽車包括內(nèi)燃機技術(shù)的快速升級換代,但由于連桿模鍛和粉鍛工藝中長達數(shù)月的模具研制周期以及模具使用的高損耗,都在一定程度上阻礙了內(nèi)燃機樣機的開發(fā)速度。激光3D打印技術(shù)是在基于快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合自動送粉、激光熔覆所發(fā)展起來的一種快速制造技術(shù)[2],通過計算機輔助設(shè)計軟件(CAD-ComputerAidedDesign,CAD)設(shè)計模型采用材料逐層堆積的原理成

4、形實體零件。與傳統(tǒng)模鍛、粉末鍛造工藝相比,激光3D打印具有的無模具、短周期以及快速響應(yīng)能力將更適于技術(shù)快速換代的多品種、變批量零件加工。 激光3D打印直接成形金屬零件實現(xiàn)了形狀、尺寸接近或等同成品,能夠有效減少后續(xù)機械加工工序和加工量。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者對變徑回轉(zhuǎn)體模型[3-4]、薄壁結(jié)構(gòu)模型[5-6]的激光3D打印成形工藝參數(shù)控制,以及采用不同粉末配方的激光熔覆層顯微組織和性能[7-11]進行了大量的研究。在金屬零件激光直接快速成形方面,北京航空航天大學(xué)制造出了TA15、TC18、TC21等鈦合金材料的飛機大型整體主承力構(gòu)件以及A100等超高強度鋼飛機起落架關(guān)鍵構(gòu)件[12],

5、西安交通大學(xué)對激光熔化鎳基合金的沉積凝固過程進行了長期研究,并制造出高尺寸精度和高表面質(zhì)量的空心葉輪樣件[13]。目前,金屬零件激光直接快速成形的研究主要集中于航天、航空、石油、船舶等現(xiàn)代化高端裝備的高性能大型金屬構(gòu)件的生產(chǎn)制造[12]。在汽車金屬零部件制造領(lǐng)域,激光3D打印技術(shù)應(yīng)用較少。本文選取汽車發(fā)動機連桿,建立了連桿激光3D打印數(shù)據(jù)模型,并采用該模型在激光3D打印系統(tǒng)中實現(xiàn)成形,并分析了3D打印成形連桿不同截面的微觀組織和顯微硬度分布。 1連桿激光3D打印模型 根據(jù)某普及型轎車發(fā)動機連桿設(shè)計參數(shù),建立圖1(a)所示的三維模型并轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格(STereo

6、Lithography,STL)文件格式,利用三角形面片表征連桿實體模型表面輪廓,生成三角形面片單元776個,三角形頂點2328個。識別連桿模型特征截面及特征線進行分層切片處理,確定模型內(nèi)外輪廓尺寸,補償激光3D打印系統(tǒng)采用的直徑1mm圓形激光光斑,連桿模型分層切片結(jié)果如圖1(b)所示。單一片層成形過程就是對內(nèi)外輪廓線包絡(luò)區(qū)域掃描填充的過程。根據(jù)連桿結(jié)構(gòu)特點,采用如圖2(a)所示的S型掃描和圖(b)所示的輪廓偏移掃描。S型掃描是采用等間距平行線往復(fù)掃描的方式填充輪廓內(nèi)部區(qū)域;輪廓偏移掃描是將單一片層內(nèi)外輪廓線向?qū)嶓w內(nèi)部等距偏移并逐段連接,從而形成填充線。激光3D打印模型的分層切片高度和填充路徑

7、間距等參數(shù)是由連桿的設(shè)計尺寸(圖3)和3D打印系統(tǒng)工藝實驗決定。連桿3D打印模型切片高度為0.3mm,單層等距掃描,規(guī)劃S型掃描和輪廓偏移掃描填充路徑如圖4所示。掃描路徑坐標(biāo)點不能直接輸入激光3D打印系統(tǒng)控制器執(zhí)行,將路徑代碼與激光功率、掃描速度、送粉速率等相關(guān)工藝參數(shù)進行組合后輸出控制文件。 2連桿激光3D打印工藝試驗 2.1試驗材料 試驗基體為尺寸300mm200mm20mm的板材,表面進行打磨處理以減少激光反射,粉末選用JG-3型Fe基合金粉末。 2.2試驗設(shè)備 主要作用是控制加工系統(tǒng)的運動軌跡、激光功率、送

8、粉速率以及監(jiān)控激光實際功率、冷卻水溫度等各項指標(biāo);圖(c)為三軸式數(shù)控工作臺,采用廣州數(shù)控GSK980MDc加工設(shè)備,配以激光發(fā)射器、光外側(cè)向同軸送粉頭等裝置;圖(d)為YFL1000-CS大功率光纖激光器,激光束通過光學(xué)元件擴束、聚焦,在加工表面形成直徑1mm的圓形光斑;圖(e)為載氣式送粉裝置,圖(f)為循環(huán)水冷裝置。 2.3工藝參數(shù) 連桿模型的加工軌跡規(guī)劃形成了兩種掃描路徑,S型掃描形成的填充線運行軌跡簡單,但由于激光熔化金屬粉末快速凝固形成橢圓形熔道,片層內(nèi)單一方向熔道多次搭接會直接影響成形件的徑向力學(xué)性能,并且填充線方向相同會引起收縮方向應(yīng)力一致,導(dǎo)致

9、表面翹曲程度增加,甚至在填充線方向突變處出現(xiàn)“結(jié)瘤”現(xiàn)象,從而影響成形件的成形精度和表面光滑度。輪廓偏移填充線的掃描方向不斷變化,成形區(qū)域內(nèi)應(yīng)力發(fā)散,能有效減小收縮率,而且成形件內(nèi)外表面輪廓線是一條完整的封閉曲線,以模型主要尺寸確定的內(nèi)外輪廓向成形件內(nèi)部等距偏置規(guī)劃填充路徑,能提高成形件的尺寸精度,減少后續(xù)加工余量。試驗選取連桿輪廓偏移掃描路徑。試驗表明,激光功率、送粉速率和掃描速度等工藝參數(shù)對熔池形貌以及性能有顯著影響[14-15]。多道搭接熔覆過程中,每道熔覆層相互影響,熔覆層及其整體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)相對復(fù)雜[16]。結(jié)合激光3D打印系統(tǒng)的單道熔覆實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)論。 2.4

10、試驗過程及結(jié)果 按照確定的工藝方案,將加工路徑與工藝參數(shù)組合生成控制文件,輸入激光3D打印系統(tǒng)控制器。試驗前對基板進行預(yù)熱,減小初始打印過程中熔覆層與基板間的溫度梯度,完成對刀后啟動控制程序打印發(fā)動機連桿。圖6(a)~(c)為激光3D打印連桿不同時刻的形貌,隨著加工過程的推進,連桿片層不斷堆積,成形高度增大,整體三維結(jié)構(gòu)逐漸顯現(xiàn)。圖6(d)為激光3D打印連桿,激光掃描單層軌跡用時為4min30s~4min56s,連桿毛坯模型總層數(shù)為50層,打印總用時4h20min。 3成形連桿性能分析 3.1試樣的選取制備 連桿打印成形后,根據(jù)連

11、桿不同工況下受力狀況的理論分析確定危險截面,選取如圖7a所示的連桿大頭截面A-A、B-B、E-E,連桿桿身截面C-C、D-D,以及連桿小頭截面E-E制備試樣,采用電火花線切割切取表面積10mm10mm的試樣進行組織結(jié)構(gòu)與性能分析。選用粒度由小到大的金相砂紙進行打磨,然后在金相研磨機上用拋光劑對試樣表面進行拋光,采用HV-1000A顯微硬度計測試其維氏硬度,加載壓力500g,保持時間5s。拋光后的金相試樣用現(xiàn)配王水(鹽酸和硝酸按照3:1比例混合物)進行金相腐蝕,然后立即用水沖洗、無水乙醇洗凈、吹風(fēng)機吹干,采用金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織形貌。在桿身處制備室溫拉伸試樣(GB/T228.1-2010

12、),取樣位置如圖7a所示,試樣標(biāo)距L0=8mm。用Reger電子萬能試驗機進行室溫拉伸實驗,拉伸時加載變形速率為0.5mm/min。 3.2試樣截面微觀組織及其成因 激光3D打印過程熔池內(nèi)傳熱、傳質(zhì)情況復(fù)雜,同時還伴隨著組織相變的發(fā)生。圖7b為低倍鏡下連桿截面試樣的微觀形貌,可以看出,層內(nèi)、層間熔道相互致密搭接,形成良好的冶金結(jié)合。圖中部分區(qū)域存在少量氣孔,產(chǎn)生的原因主要是合金粉末在激光加工前氧化、受潮或者有的元素在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng),多道搭接過程的搭接率等工藝參數(shù)設(shè)置不合理也會導(dǎo)致孔洞的產(chǎn)生。為了提高成形連桿質(zhì)量,可以采取的工藝措施有優(yōu)化激光加工系統(tǒng),設(shè)置保護

13、氣氛,粉末輸送前烘干去濕。圖7c為連桿截面試樣底部的金相組織,可以看出靠近基體的底部組織為柱狀晶,且生長方向與基體結(jié)合面垂直。由金屬凝固理論可知,溫度梯度與凝固速率的比值G/R決定凝固組織的形貌[17]。連桿堆積初始基體材料溫度較低,熔池主要依靠基體傳導(dǎo)散熱,熔池與基體之間的界面結(jié)合處存在較大的正溫度梯度G,并且溫度梯度和主熱流方向主要沿沉積方向,即垂直于基體結(jié)合面,晶粒長大過程中,與主熱流方向偏差較大的晶粒被淘汰。圖7d為連桿截面試樣中部的金相組織,可以看出底層中部組織為垂直于基體結(jié)合面方向的樹枝晶,由于Fe基合金粉末熔化凝固過程中各種成分的凝固點不同,熔點高的溶質(zhì)元素先凝固,凝固過程伴隨著

14、固液界面前沿溶質(zhì)的再分配,溶質(zhì)濃度發(fā)生變化導(dǎo)致金屬液體凝固溫度的改變,即成分過冷。隨著距固液界面的距離增大,溫度梯度G減小,成分過冷增大,在連桿截面中部形成樹枝晶組織。圖7e為連桿截面試樣中上部的金相組織,為細小的等軸晶。連桿多層堆積成形的部分已經(jīng)具有了較高的溫度,并且在連桿成形上部,熱量通過熱傳導(dǎo)、熱輻射以及空氣對流等多種方式散發(fā),溫度梯度與凝固速率的比值G/R逐漸減小,成分過冷極大,在固液界面前沿生成許多沿各個方向生長的晶核,晶粒自由生長形成細小的等軸晶。由于成分及組織分布不均會在熔覆層內(nèi)部形成組織應(yīng)力和相變應(yīng)力,影響成形連桿質(zhì)量,在后續(xù)工序中會配套相應(yīng)的熱處理工藝,消除內(nèi)應(yīng)力。

15、 3.3力學(xué)性能 對成形連桿不同截面試樣的分層高度方向上和單層軌跡內(nèi)取點測試了維氏硬度,以結(jié)合面中心為原點,沿縱向和橫向每間隔0.5mm選取有限個點,硬度分布曲線如圖8所示??芍?,顯微硬度從結(jié)合區(qū)-連桿打印區(qū)呈梯度分布,結(jié)合區(qū)顯微硬度較低,F(xiàn)e基合金粉末中添加了大量Cr、Si等元素,激光加熱熔化合金粉末生成金屬化合物,進入熔池迅速擴散并凝固形成硬質(zhì)點,造成連桿打印區(qū)顯微硬度大幅度提高。連桿打印區(qū)的顯微硬度由低到高、再由高到低不斷變化,是由于在激光按照加工軌跡成形每一層時,使已經(jīng)凝固成形的上一層熔池發(fā)生部分重熔,相互間形成冶金結(jié)合,成形部分熱傳導(dǎo)使縱向上分別形成回火區(qū)和重熔

16、區(qū),顯微硬度逐漸降低。單層軌跡內(nèi)顯微硬度值變化不大、較為均勻,穩(wěn)定在450~490HV。由于激光3D打印成形精度較高,其形狀、尺寸接近成形連桿,配套后續(xù)銑削、磨削等機械加工工序,提高連桿的幾何精度和表面質(zhì)量。目前,以超細晶粒硬質(zhì)合金為基體的涂層刀具的銑削硬度可達510HV[18],且成本較低,采用高速銑削工藝能夠?qū)す?D打印連桿進行高效的后處理。室溫拉伸實驗結(jié)果表明,F(xiàn)e基粉末激光3D打印連桿的屈服強度為754MPa,抗拉強度為1189MPa,延伸率為9%。將獲得的激光3D打印連桿的硬度、拉伸性能與模鍛、粉鍛連桿的性能進行比較,如表3所示。連桿模鍛工藝常用材料有調(diào)質(zhì)鋼40Cr、35CrMo,

17、非調(diào)質(zhì)鋼36MnVS4、C70S6[19];粉鍛工藝通常采用3Cu5C、3Cu6C、3Cu7C等Fe-C-Cu系合金粉末[20]??梢钥闯觯現(xiàn)e基合金粉末激光3D打印連桿的硬度稍高,屈服強度、抗拉強度以及延伸率與3Cu7C粉末鍛造連桿相當(dāng)。 4結(jié)論 (1)選用 Fe基合金粉末、激光功率1000W、掃描速度1000mm/min、送粉速率15g/min的工藝參數(shù),采用輪廓偏移掃描規(guī)劃的連桿加工路徑,在激光3D打印系統(tǒng)中進行連桿激光3D打印試驗,得到成形連桿,掃描單層軌跡用時4min30s~4min56s,連桿激光3D打印成形總用時4h20min,相比

18、于鍛造、粉鍛制造工藝,減少了模具制造成本和周期。 (2)激光 3D打印成形連桿層間致密搭接,形成良好的冶金結(jié)合。連桿成形區(qū)底部由于與基體存在較大的溫度梯度,金相組織主要是柱狀晶,隨著距固液相的距離逐漸變大,溫度梯度減小,成分過冷增大,中部形成樹枝晶組織,連桿成形上部晶粒自由生長成細小的等軸晶。 (3)測試激光 3D打印連桿各方向的顯微硬度,由于激光成形過程中熔池重熔的原因,顯微硬度在分層方向上出現(xiàn)規(guī)律性波動。對比激光3D打印連桿與傳統(tǒng)制造工藝成形連桿的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)其屈服強度、抗拉強度高于鋼鍛連桿,與粉鍛連桿相差不大。結(jié)果表明,激光3D打印連桿經(jīng)過后續(xù)配套的銑削、磨削等機械加工工序后,提高成形連桿的幾何精度和表面質(zhì)量,能達到連桿制造的要求。

展開閱讀全文
溫馨提示:
1: 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責(zé)。
6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

相關(guān)資源

更多
正為您匹配相似的精品文檔
關(guān)于我們 - 網(wǎng)站聲明 - 網(wǎng)站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網(wǎng)站客服 - 聯(lián)系我們

copyright@ 2023-2025  zhuangpeitu.com 裝配圖網(wǎng)版權(quán)所有   聯(lián)系電話:18123376007

備案號:ICP2024067431-1 川公網(wǎng)安備51140202000466號


本站為文檔C2C交易模式,即用戶上傳的文檔直接被用戶下載,本站只是中間服務(wù)平臺,本站所有文檔下載所得的收益歸上傳人(含作者)所有。裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對上載內(nèi)容本身不做任何修改或編輯。若文檔所含內(nèi)容侵犯了您的版權(quán)或隱私,請立即通知裝配圖網(wǎng),我們立即給予刪除!